蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

呼和浩特東站站臺雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

以呼和浩特東站站臺雨棚為工程案例，詳細(xì)介紹大跨張弦梁的設(shè)計過程。應(yīng)用SAP2000和ANSYS有限元分析軟件，分別對張弦梁整體結(jié)構(gòu)和單榀構(gòu)件進(jìn)行分析，兩者計算結(jié)果吻合較好;結(jié)合工程特點(diǎn)，提出合理的吊裝方案，確保了張弦梁張拉和吊裝過程的安全。最后對張弦梁支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析，設(shè)計出新型支座節(jié)點(diǎn)，并對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果滿足要求。

站臺雨棚;張弦梁;節(jié)點(diǎn)設(shè)計

1 工程概況

呼和浩特東站是京包線上重要的交通樞紐和大型客運(yùn)中心。站臺雨棚對稱布置于主站房兩側(cè)，每側(cè)站臺雨棚的平面尺寸均為108.50 m×208.34 m，雨棚總覆蓋面積39 900 m2。雨棚屋面最低點(diǎn)距軌面15.35 m，最高點(diǎn)距軌面18.80 m。雨棚順股道方向柱距23.382 m，垂直股道跨度分別為54.0 m、48.5 m。站房兩側(cè)雨棚總長為200 m，為減少溫度應(yīng)力的影響，每側(cè)雨棚各設(shè)置1道伸縮縫將雨棚分為長度不大于100 m獨(dú)立單元。圖1、圖2為呼和浩特東站站房及雨棚整體鳥瞰圖和站臺雨棚內(nèi)視圖。

圖1 站房及雨棚整體鳥瞰圖

圖2 站臺雨棚內(nèi)視圖

2 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)體系布置

受站場條件限制，站臺雨棚在垂直于股道方向設(shè)置3列雨棚柱，柱頂與鋼箱梁連接形成縱向鋼框架，以增強(qiáng)雨棚縱向的整體剛度和抗震性能;雨棚屋面采用連續(xù)張弦梁結(jié)構(gòu)體系，每跨張弦梁采用一端固定鉸支座、一端滑動鉸支座的連接方式簡支于鋼梁頂面，如圖3所示。為了減小地震作用下屋面體系對同一榀鋼框架的水平力，兩跨張弦梁的固定鉸分別設(shè)置于不同柱列，即PA-PB跨張弦梁固定鉸及滑動鉸分別置于PB、PA列雨棚柱，PB-PC跨張弦梁固定鉸及滑動鉸分別置于PC、PB列雨棚柱。順股道方向每23.382 m柱距間等分布置4榀張弦梁，每榀張弦梁支座處均設(shè)置有分叉柱，有效地降低了縱梁的豎向變形，保證每榀張弦梁的協(xié)同工作。

圖3 雨棚剖面(單位:mm)

PA-PB軸張弦梁跨度為 54.0 m，跨中矢高6.0 m，上弦壓桿采用□700×300×18×20 mm 箱形截面，下弦拉索采用121φ5 mm高強(qiáng)低松弛平行鋼絲束;PB-PC軸張弦梁跨度為48.5 m，跨中矢高5.5 m，上弦壓桿采用□650×300×18×20 mm箱形截面，下弦拉索采用109φ5 mm高強(qiáng)低松弛平行鋼絲束;張弦梁腹桿均采用φ273 mm×8 mm圓鋼管，上端與張弦梁上弦鉸接，下端通過鑄鋼節(jié)點(diǎn)與拉索連接。由于屋面自重較輕，在風(fēng)吸力作用下下弦索會發(fā)生松弛，甚至失效的現(xiàn)象，為了保證下弦索始終處于張緊狀態(tài)，在上弦箱形截面內(nèi)灌入水泥砂漿以增加結(jié)構(gòu)配重［1］。

單榀張弦梁在平面內(nèi)可形成獨(dú)立的穩(wěn)定體系，并滿足施工及正常工作的受力要求，而其平面外的剛度較差，上弦受壓極易失穩(wěn)，幾乎不能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)受力體系。因此，在每榀張弦梁間采用水平支撐和剛性系桿進(jìn)行連接，以形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，保證張弦梁的正常受力性能［2-3］，雨棚標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示。

圖4 雨棚結(jié)構(gòu)布置(單位:mm)

3 設(shè)計荷載取值及工況組合

設(shè)計荷載是結(jié)構(gòu)分析的重要依據(jù)，取值是否合理將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。工程中考慮的荷載有永久荷載:結(jié)構(gòu)自重、屋面圍護(hù)自重、吊頂及設(shè)備自重等;可變荷載:屋面活載、雪荷載、風(fēng)荷載;另外還應(yīng)考慮地震作用和溫度效應(yīng)。

3.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

(1)永久荷載:結(jié)構(gòu)桿件自重由計算程序自動導(dǎo)算，屋面圍護(hù)及吊頂荷載取值為0.5 kN/m2。

(2)可變荷載:標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2。

(3)雪荷載:標(biāo)準(zhǔn)值0.45 kN/m2(按100年一遇取)。

(4)風(fēng)荷載:由于雨棚結(jié)構(gòu)跨度大、剛度小、自振周期長，在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下可能會引起較大的風(fēng)振效應(yīng)，同時受站房體型的影響，雨棚屋面各點(diǎn)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)已無法按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(BG50009—2001)進(jìn)行選?。?］。因此，設(shè)計中風(fēng)荷載值根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)報告進(jìn)行取值［5］。

(5)地震作用:本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.20g。

(6)溫度作用:由于張弦梁一端為固定鉸支座，另一端為滑動鉸支座，溫度作用對結(jié)構(gòu)的受力影響不大［6］。但由于張弦梁滑移端的變形量對支座構(gòu)造要求較高，因此溫度效應(yīng)仍作為重要的荷載工況進(jìn)行計算。計算溫差取全年最熱月及最冷月的平均溫度與結(jié)構(gòu)張拉環(huán)境溫度的差值，溫差分別取為+25℃、-35℃(結(jié)構(gòu)張拉環(huán)境溫度為10～15℃)。

3.2 荷載工況組合

荷載工況組合考慮了上述各項荷載［7］，同時參考了相關(guān)實(shí)際工程［8-9］;為了保證張弦梁在風(fēng)荷作用下的結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計中增加了1組下弦索應(yīng)力控制組合，保證張弦梁在最不利的組合工況下仍具有一定的拉力。各荷載工況組合如表1所示。

表1 荷載工況組合

圖5 張弦梁結(jié)構(gòu)前3～5階結(jié)構(gòu)振型

4 結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

結(jié)構(gòu)分析采用通用有限元軟件 SAP2000 V15.1.0對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，同時采用ANSYS有限元軟件對單榀張弦梁進(jìn)行了分析，并和SAP2000計算結(jié)果進(jìn)行對比。張弦梁上弦選用空間梁單元、屋面支撐及張弦梁豎向腹桿采用兩端釋放轉(zhuǎn)角自由度的梁單元、下弦索采用沒有剛度和微小質(zhì)量的梁單元進(jìn)行模擬。根據(jù)文獻(xiàn)［1-10］，由于張弦梁結(jié)構(gòu)在荷載態(tài)分析時，考慮幾何非線性效應(yīng)的分析結(jié)果和線性分析結(jié)果非常接近，因此該類結(jié)構(gòu)荷載態(tài)的分析可不考慮幾何非線性的影響，即符合小變形假定;但在張拉階段，即結(jié)構(gòu)由零狀態(tài)至初始狀態(tài)的過程中，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的變形，因此結(jié)構(gòu)按幾何非線性進(jìn)行分析。

由于張弦梁一端滑移，因此模型前2振型均為張弦梁屋蓋的整體平動振型，張弦梁結(jié)構(gòu)的前3～5階結(jié)構(gòu)振型如圖5所示(以下以PA-PB跨張弦梁為例進(jìn)行計算結(jié)果分析)。從結(jié)構(gòu)振型看，在前幾振型中均未出現(xiàn)張弦梁平面外的水平振動，說明張弦梁間設(shè)置的水平支撐及剛性系桿起到了重要的支撐作用。因此，對于大跨張弦梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)置這樣的剛性支撐是非常必要的，設(shè)計時要給予特別的重視，且應(yīng)有一定的安全儲備。典型荷載工況下的位移及變形如圖6所示。

圖6 典型工況下結(jié)構(gòu)變形

計算結(jié)果如下:(1)張弦梁上弦桿受力較均勻，最大應(yīng)力比0.80。(2)下弦拉索中最大拉應(yīng)力為750 MPa。(3)結(jié)構(gòu)在永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的豎向最大撓度為122 mm，撓跨比(f/L)為1/442，滿足屋面豎向撓度變形限值要求，可見在合理的矢高比和較強(qiáng)的平面外支撐條件下，張弦梁結(jié)構(gòu)具有較好的豎向剛度。(4)在水平地震作用下，柱頂水平位移21 mm，柱頂位移與柱高比值為1/840;而在風(fēng)荷載作用下，柱頂水平位移達(dá)到58 mm，柱頂位移與柱高比值為1/306。通過對比發(fā)現(xiàn)，由于PA-PB跨張弦梁屋面曲率并不對稱，在垂直于屋面的風(fēng)荷載作用下，屋脊兩側(cè)屋面的風(fēng)荷載水平分量不能相互抵消，因此荷載水平分量差值導(dǎo)致屋面產(chǎn)生了整體的水平推力，從而使柱頂產(chǎn)生了較大的水平位移。由此可見，在張弦梁結(jié)構(gòu)選型的過程中應(yīng)盡量避免不對稱的情況產(chǎn)生。

在整體分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元分析程序?qū)伍瘡埾伊哼M(jìn)行了校核計算，張弦梁在1.0D+1.4L+0.7T工況下的上弦梁內(nèi)應(yīng)力及下弦拉索應(yīng)力如圖7所示。在各工況下，張弦梁上弦梁最大應(yīng)力比為0.70，下弦索最大拉應(yīng)力為600 MPa?？梢?ANSYS分析結(jié)果較SAP2000計算結(jié)果偏小，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是SAP2000整體模型分析時，上弦梁的變形受到屋面水平支撐的約束，導(dǎo)致下弦索張拉力增大，從而使得結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力增大。但結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布與整體模型吻合較好，從而驗(yàn)證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 單榀張弦梁ANSYS分析結(jié)果

4.2 結(jié)構(gòu)吊裝

張弦梁的張拉和吊裝是張弦梁結(jié)構(gòu)施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在施工前應(yīng)對張弦梁進(jìn)行施工階段的驗(yàn)算，以確定張弦梁的張拉次數(shù)和結(jié)構(gòu)找形。由于本工程中張弦梁上弦為單根矩形截面梁，平面外剛度完全由屋面支撐體系提供，因此在初張拉和吊裝過程中須保證每榀張弦梁的平面外穩(wěn)定。若在單榀張弦梁張拉和吊裝過程中通過平衡索保證其平面外的穩(wěn)定，不但使得張拉過程變得復(fù)雜，而且給施工增加了難度?？紤]到施工的安全和易操作性，同時參考類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)［11-12］，將兩榀張弦梁及部分水平支撐作為吊裝單元在地面胎架上進(jìn)行初張拉，以保證結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定，如圖8所示。待初張拉完成后再進(jìn)行整體吊裝，柱頂就位后再進(jìn)行二次張拉，此時結(jié)構(gòu)已具有一定的平面內(nèi)、外的剛度，保證了張拉和吊裝過程的安全。

圖8 張弦梁吊裝單元

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計

由于受縱向支承梁截面寬度和下弦索張拉端的限制，成品支座難以滿足工程的需要，因此針對張弦梁張拉節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)構(gòu)造出了新型節(jié)點(diǎn)。張弦梁下弦索通過銷軸與連接耳板相連，保證拉索在張拉過程中可以自由變形;連接耳板插入上弦梁內(nèi)與翼緣焊接連接，上弦梁腹板在支座處通過厚板過渡，與支座處的雙耳板通過銷軸連接;為了保證支座構(gòu)造與計算模型中滑動節(jié)點(diǎn)相吻合，在連接端板底面設(shè)置有聚四氟乙烯滑移材料，滿足支座在荷載作用下的滑移要求，同時在滑移方向和垂直方向上設(shè)置有滑動擋板和抗拔件，防止極端荷載工況下張弦梁滑落或支座拔起，張弦梁端部構(gòu)造節(jié)點(diǎn)如圖9所示。為了確保支座節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜受力安全，在理論計算的基礎(chǔ)上應(yīng)用ADNA有限元軟件對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果如圖10所示。

由分析結(jié)果可以看出:

圖9 張弦梁支座節(jié)點(diǎn)(單位:mm)

圖10 張弦梁支座分析結(jié)果

(1)支座節(jié)點(diǎn)模型分析中應(yīng)力值均較小，均處于材料的線彈性范圍內(nèi)，完全滿足工程安全要求。這與支座具有一定的平動滑移能力有很大關(guān)系，建議在類似大跨度結(jié)構(gòu)中，支座節(jié)點(diǎn)可以采用類似方式進(jìn)行處理，不但可以大幅度減小下部結(jié)構(gòu)的水平受力負(fù)荷，還可獲得更好的經(jīng)濟(jì)性與安全性;

(2)在銷軸和銷孔的接觸位置，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值較大且應(yīng)力分布變化劇烈。經(jīng)分析認(rèn)為原因有:一是數(shù)值計算模型中對該部分采用了接觸邊界以及接觸網(wǎng)格，會帶來一定的影響;二是在實(shí)際工程中，該位置是支座傳力的關(guān)鍵部位，受力較大。因此，銷軸和銷孔設(shè)計時應(yīng)留有一定的強(qiáng)度余量，同時為了減小由于接觸表面不平滑產(chǎn)生的應(yīng)力集中以及應(yīng)力侵蝕對接觸面的影響，對銷軸和銷孔的表面應(yīng)進(jìn)行硬化處理，并采用一些特殊成孔工藝。

6 結(jié)論

呼和浩特東站站臺雨棚采用了連續(xù)大跨張弦梁結(jié)構(gòu)體系，計算分析表明，張弦梁結(jié)構(gòu)用于較大跨度的站房雨棚建筑中，可充分發(fā)揮其優(yōu)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)性能，并能較好地實(shí)現(xiàn)建筑的外觀造型。經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，按屋面投影面積計算，主體結(jié)構(gòu)用鋼量僅為75 kg/m2，與類似工程相比極大地節(jié)省了結(jié)構(gòu)用鋼量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果，并實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和美觀的統(tǒng)一。

通過以上分析可知，張弦梁結(jié)構(gòu)體系的水平地震作用效應(yīng)并不明顯，但對于風(fēng)荷載效應(yīng)卻很敏感，因此在設(shè)計過程中對風(fēng)荷載的取值應(yīng)慎重，同時對有風(fēng)荷載參與的組合工況應(yīng)全面;張弦梁的施工順序?qū)埾伊旱氖芰π阅芗笆┕ぐ踩绊戄^大，因此在張弦梁施工過程中應(yīng)針對不同工程特點(diǎn)制定合理的張拉、吊裝方案;張弦梁支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造對結(jié)構(gòu)是否安全、合理起著至關(guān)重要的影響，因此，在設(shè)計過程中對支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)作為重點(diǎn)進(jìn)行研究，必要時可進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以確定節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力分布，確保結(jié)構(gòu)的安全、可靠。

［1］ 黃明鑫.大型張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005:9-13.

［2］ 劉錫良.現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2003:14-21.

［3］ 姜子欽，何志軍，丁潔民.座邊界及屋面支撐對張弦桁架結(jié)構(gòu)施工過程影響分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2011(6):99-105.

［4］ 蔣凡.車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載設(shè)計探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(5):94-96.

［5］ 武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究所.呼和浩特火車站風(fēng)洞試驗(yàn)與抗風(fēng)性能分析報告［R］.武漢:武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究所.

［6］ 張雷.張弦梁結(jié)構(gòu)施工模擬及溫度影響研究［D］.北京:北京建筑工程學(xué)院，2006:77-78.

［7］ 中華人民共和國建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002:6-9.

［8］ 傅學(xué)怡.國家游泳中心水立方結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:31-45.

［9］ 徐培福，傅學(xué)怡，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:109-117.

［10］ 吳祖成，樓文娟，高子聒，等.單向張弦梁結(jié)構(gòu)的受力性能研究［J］. 鋼結(jié)構(gòu)，2010(7):1-3.

［11］ 閆宇.延安火車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚張弦梁［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(2):95-99.

［12］ 康亞強(qiáng)，唐虎.大連北站無站臺柱雨棚設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(3):93-95.

［13］ 范峰，支旭東，沈世釗.黑龍江國際會議展覽體育中心主館大跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國計劃出版社，2002:806-811.

Structure Design and Analysis on Platform Canopy of Hohhot East Railway Station

CAI Yu-jun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Taking the platform canopy at Hohhot East Station as a project case，this paper introduces the design process of a beam string structure(BSS).Using SAP 2000 and ANSYS finite element analysis software，the whole BSS and the BSS members were analyzed respectively，and both calculation results could accord well with each other.Combined with the characteristics of beam string structure，the feasible hoisting scheme were put forward which could ensure the safety of beam string structure in the processes of tensioning and hoisting.Finally the bearing joint of the beam string structure was analyzed，and a new type of bearing joint was designed.Through numerical simulation analysis on the joint，it is concluded that the design can meet the relevant requirements.

platform canopy;beam string structure;joint design

TU318

A

1004-2954(2013)04-0101-04

2012-08-10;

2012-08-30

中國鐵道建筑總公司科研項目(20114287-K3-191)

蔡玉軍(1980—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于長安大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:caiyujun727@163.com。